【创芯大讲堂免费试读】 模拟集成电路设计以LDO设计为例

创芯讲堂运营

想获取本书vip价格可加微信ssywtt进行获取注：凡本平台购书者皆可享受创芯大讲堂畅销课程的最优内购价格，以及eetop论坛信元500.（淘宝及其他平台不参与此次活动）

书籍目录

第1章电源系统11.1电源管理中的稳压器11.2线性稳压器和开关稳压器的对比21.2.1响应时间的折中31.2.2噪声41.2.3功率转换效率41.3市场需求51.3.1系统51.3.2集成61.3.3工作寿命61.3.4电源净空71.4电源81.4.1早期电池81.4.2锂离子电池91.4.3燃料电池91.4.4核能电池101.4.5能量收集器101.5计算机仿真111.6总结121.7复习题13第2章线性稳压器142.1工作区域142.2性能指标152.2.1精度152.2.2功率转换效率252.2.3工作要求272.2.4品质因子292.3工作环境302.3.1负载312.3.2稳压点322.3.3寄生效应332.4分类342.4.1输出电流342.4.2压差342.4.3补偿342.4.4类别352.5模块级构成362.6总结372.7复习题38第3章微电子器件393.1电阻393.1.1工作原理393.1.2寄生元件403.1.3版图403.1.4绝对精度和相对精度423.2电容433.2.1工作原理433.2.2寄生元件443.2.3版图453.2.4绝对精度和相对精度453.3PN结二极管463.3.1工作原理463.3.2寄生元件493.3.3版图和匹配503.3.4小信号模型523.4双极型晶体管（BJT）533.4.1工作原理533.4.2纵向BJT563.4.3横向BJT573.4.4衬底BJT583.4.5小信号模型593.5金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）613.5.1工作原理613.5.2寄生电容663.5.3P沟道MOSFET673.5.4晶体管变化673.5.5版图和匹配693.5.6小信号模型713.5.7MOS电容733.5.8沟道电阻733.6结型场效应晶体管(JFET)733.6.1工作原理733.6.2P沟道JFET753.6.3大信号模型753.6.4版图和匹配763.6.5小信号模型763.6.6相对性能783.7绝对精度和相对精度783.8总结793.9复习题80第4章单晶体管基本单元824.1二端口模型824.2频率响应834.2.1极点844.2.2零点854.2.3米勒分裂874.2.4电容-分流-电阻法884.3信号流894.3.1输入和输出894.3.2极性894.3.3单晶体管基本单元904.4共发射极/共源极跨导器904.4.1大信号工作904.4.2小信号模型914.4.3频率响应934.4.4发射极/源极负反馈954.5共基极/共栅极电流缓冲器994.5.1大信号工作994.5.2小信号模型1004.5.3频率响应1034.5.4基极负反馈1044.6共集电极/共漏极电压跟随器1044.6.1大信号工作1044.6.2小信号模型1054.6.3频率响应1084.7小信号概括和近似1094.7.1功能1094.7.2电阻1104.7.3频率响应1124.8总结1134.9复习题114第5章模拟电路基本单元1155.1电流镜1155.1.1工作原理1155.1.2小信号模型1185.1.3带基极电流校正的电流镜1195.1.4电压校正共源共栅/共射共基（Cascode）电流镜1205.1.5低电压Cascode电流镜1215.2差动对1235.2.1大信号工作1245.2.2差分信号1255.2.3共模信号1275.2.4发射极/源极负反馈1285.2.5CMOS差动对1295.3基极/栅极耦合对1305.3.1大信号工作1305.3.2小信号响应1325.3.3输入参考失调和噪声1345.4差动级1365.4.1大信号工作1375.4.2差分信号1385.4.3共模信号1405.4.4输入参考失调和噪声1435.4.5电源抑制1455.4.6折叠式Cascode1475.5总结1515.6复习题152第6章负反馈1546.1反馈环路1546.1.1环路构成1546.1.2调整1556.1.3输出转化1566.2反馈效应1566.2.1灵敏度1566.2.2阻抗1576.2.3频率响应1606.2.4噪声1626.2.5线性度1636.3负反馈结构1666.3.1跨导放大器1666.3.2电压放大器1676.3.3电流放大器1686.3.4跨阻放大器1696.4分析1706.4.1分析过程1706.4.2叠加器1736.4.3采样器1746.4.4跨导放大器1756.4.5电压放大器1796.4.6电流放大器1836.4.7跨阻放大器1886.5稳定性1936.5.1频率响应1936.5.2补偿1956.5.3反相零点2006.5.4嵌入式环路2026.6设计2026.6.1设计概念2026.6.2系统结构设计2036.6.3频率补偿2046.7总结2046.8复习题205第7章偏置电流和基准电路2077.1电压基元2077.2PTAT电流2087.2.1交叉耦合四管单元2097.2.2锁存单元2107.3CTAT电流2137.3.1电流采样BJT2147.3.2电压采样二极管2147.4温度补偿2157.4.1带误差补偿的BJT电流基准源2167.4.2基于二极管的电流基准源2177.4.3带误差补偿的基于二极管的电流基准源2187.5启动电路2187.5.1连续导通启动电路2197.5.2按需导通启动电路2207.6频率补偿2227.7电源噪声抑制2237.8带隙电流基准源2247.8.1基于BJT的带隙电流基准源2247.8.2基于二极管的带隙电流基准源2257.9带隙电压基准源2267.9.1电流-电压转换2267.9.2输出电压调整2277.10精度2307.11总结2317.12复习题232第8章小信号响应2348.1小信号等效电路2348.2无补偿时的响应2368.2.1相关电容和电阻2368.2.2环路增益2368.3频率补偿2398.3.1输出端补偿2408.3.2内部补偿2428.4电源抑制2458.4.1分压器模型2468.4.2馈通噪声2478.4.3米勒电容2538.4.4分析2558.4.5结论2618.5补偿策略对比2618.6总结2628.7复习题264第9章集成电路设计2659.1设计流程2659.2功率晶体管2669.2.1备选方案2669.2.2版图2699.3缓冲器2769.3.1驱动N型功率晶体管2769.3.2驱动P型功率晶体管2789.3.3版图2909.4误差放大器2909.4.1净空2919.4.2电源抑制2949.4.3输入参考失调2969.4.4版图2999.5总结3079.6复习题309第10章线性稳压器31010.1低压差稳压器31010.1.1输出端补偿的PMOS稳压器31010.1.2米勒补偿的PMOS稳压器31410.2宽带稳压器31810.2.1内部补偿的NMOS稳压器31910.3自参考稳压器32210.3.1零阶温度无关性32210.3.2温度补偿32310.4性能增强33010.4.1功率晶体管33010.4.2缓冲器33310.4.3环路增益33510.4.4负载调整率33610.4.5负载突变响应33910.4.6电源抑制34010.5电流调整34310.5.1电流源34310.5.2电流镜34410.6总结34710.7复习题347第11章保护与特性34911.1保护34911.1.1过电流保护34911.1.2热关断35311.1.3反向电池保护35511.1.4静电放电保护35611.2特性35811.2.1模拟负载35911.2.2调整性能36011.2.3功率性能36611.2.4工作要求36811.2.5启动37011.3总结37111.4复习题371

◆ 试读：◆

第１章 电源系统

1.1  电源管理中的稳压器

供电和电源调整是电气系统最基本的功能。任何带负载的应用，不管是移动电话、平板电脑或者是无线传感节点，没有稳定的供电，都不能正常地工作，原因是变压器、发电机、电池和其它离线式电源所提供的电压和电流在不同的时间和工作条件下都会发生改变。它们通常伴随着噪声和抖动，不仅是因为它们的工作方式，而且因为大功率开关电路，例如中央处理器单元（Central Processing Units, CPUs）和数字信号处理器（Digital Signal Processors, DSPs），常常作为它们的负载。这些快速变化的负载使得原本没有噪声的电源产生了瞬态偏移，最终的结果会导致原本应是直流的成分出现了闪烁和频谱杂散。电压稳压器的作用就是将这些不可预测的、有噪声的电源电压变成稳定的、精确的、与负载无关的电压，将这些有害的波动衰减到更低、更可接受的程度。

对于集成度更高、更复杂的高性能系统，稳压调整功能的应用就显得尤为重要。例如，一个片上系统（Systems-on-Chip，SoC）通常需要将许多功能集成在一起，其中的许多功能与时钟同步，这就要求电源在很短的时间内能同时满足输出高功率和很短的瞬态响应时间的要求。电源不能够对负载电流变化（如快速负载突变）做出快速响应，会迫使储能电容为负载提供全部供电，从而使电源电压出现显著的瞬态波动。稳压器的带宽性能，也就是做出迅速反应的能力，决定了瞬态波动的大小和程度。

稳压器也可以通过防止电压超过结击穿电压，起到保护集成电路（Integrated Circuits，ICs）的作用。在当前的技术水平下，击穿电压可能小于2V，所以这样的保护要求就更加苛刻了。对包括SoC、系统级封装(System-in-Package，SiP和System-on-Package，SoP)等小体积、单芯片解决方案需求的持续增长，驱动集成电路工艺向更小的光刻尺寸和金属间距发展。不幸的是，元件密度的增加使得隔离间距减小，集成电路的击穿电压随着尺寸和间距的缩小而降低。

基准（Reference），如同稳压器一样，能产生和维持一个精确稳定的不随输入电压、负载环境以及工作条件变化的输出电压。与稳压器不同的是，基准无需提供大的稳态电流，也不需要适应宽范围变化的负载。尽管一个好的基准能够屏蔽正负噪声电流的影响，但它驱动负载电流的范围还是比较小的。实际中，基准只能提供最大1mA的驱动电流，而稳压器能够提供大到几个安培的电流。

命名规则：为了补充和扩展本书中的文字说明，我们对变量名使用标准的小信号和稳态命名规格。同时具有小信号和直流成分的信号，使用小写字母和大写下标表示,例如输出电压vOUT。当只表示直流信号成分时，全部用大写字母，如VOUT，类似地，当只表示小信号成分时，全部用小写字母命名，例如vout。

如前面的例子所示，变量采用功能上直观的命名方式。第一个字母通常描述信号类型和量纲单位，例如v指电压，i指电流，A或G指放大增益，P指功率等等。下标通常表示变量所描述的功能或者节点，例如out通常指稳压器的输出，REG则为调节参数等等。此外，参数带一个0作为下标特指描述低频特性的变量，例如低频电压增益AV0。低频度量值本质上描述的是系统稳态的信息。

1.2  线性稳压器和开关稳压器的对比

电压稳压器通常是一个带缓冲的基准：一个偏置电压和一个同相运算放大器(Op Amp)，众所周知，运算放大器在并联反馈结构中可以驱动大负载电流。根据可接负载电流的范围，稳压器一般可分为两大类：线性稳压器和开关稳压器。如图1.1（a）所示，线性稳压器也被称为串联稳压器，通过线性地调整连接在输入电源和受调制的输出电压vOUT之间的串联开关器件的电导，确保输出电压为参考电压vREF的某个预置的比例值。线性反馈放大器比较vOUT和vREF并产生一个控制信号，保证vOUT在vREF的一个可接受的小窗口范围内。这里“串联”是指通道元件或者开关器件是串联在未稳压的电源和负载之间。因为流过开关器件的电流和它的控制信号在时间上是连续的，所以这个电路在本质上是线性的、模拟的。并且，因为它只能通过一个线性控制的串联开关器件供电，所以输出电压不能超过未稳压的输入电源电压，即：vOUT<vIN。

图1.1  （a）基本线性稳压器电路；（b）基本开关稳压器电路

与线性稳压器相对应的是开关稳压器，由于它的开关特性，它的输入和输出既可以是交流（ac）也可以是直流（dc），这就是为什么它能够支持交流-交流（ac-ac）、交流-直流（ac-dc）、直流-交流（dc-dc）以及直流-直流（dc-dc）变换功能的原因。在集成电路的应用中，dc-dc变换器占据主要地位，因为集成电路的电源通常来自直流电池和离线式ac-dc变换器，而大多数的集成电路内部和外部的负载应用都需要直流供电。工程师们通常称这种具有变换功能的稳压器电路为开关变换器。

从电路的角度看，线性稳压器和开关稳压器的一个很大的区别在于后者的反馈环路是混合信号，既包括模拟模块也包括数字模块，如图1.1（b）所示。开关电路的基本工作原理是在每一个开关周期交替地将能量从电源传递到电感和/或电容，从而通过准无损储能元件将输入能量传递到输出。为了控制这个网络，系统通过反馈的方式把模拟误差信号转化成脉宽调制（Pulse-Width Modulated，PWM）数字脉冲序列，而这些脉冲调制信号的开关状态则决定了电路中开关器件的连接状态。从信号处理的角度来看，开关网络就是使输入电压摆幅范围的数字脉冲通过低通滤波器转换成纹波仅为几个毫伏的模拟信号vOUT，其平均值接近基准电压vREF。

如图1.1（b）所示，一个dc-dc变换器系统通常包括晶体管和/或二极管作为同步或异步开关，电感和/或电容作为能量传输元件，一个线性差动放大器和一个模拟-数字转换器或者脉宽调制器。在线性稳压器中，放大器的作用是比较vOUT和vREF，产生一个控制信号以保证vOUT接近vREF。PWM模块将放大器的模拟输出信号转换为一个数字流，决定网络的导通状态。很多由开关电容实现的变换器不需要功率电感，使得全芯片集成在某些情况下成为可能，然而，这些集成的、无电感的变换器通常不能够像离散功率电感一样提供大电流，也不允许输出电压vOUT下降过多，这就是它们通常只能在低功耗应用领域满足较小市场的原因，因为这些无电感开关电容电路向快速电容器（flying capacitors）泵入和泵出电荷，IC设计工程师常常称之为电荷泵（charge bumps）。

与线性稳压器不同，开关稳压器能够提供较宽的输出电压范围，既可以低于输入电压，也能够高于输入电压。例如，降压（buck）变换器的输出电压低于输入电压：vOUT<vIN，而升压（boost）变换器则相反：vOUT>vIN。而升降压（buck-boost）变换器，顾名思义是buck电路和boost电路的组合，它能够调节输出电压低于或者高于输入电压。虽然开关变换器有众多的灵活性和优点，但是线性稳压器在消费电子和高性能电子领域仍然十分流行，我们会在下面的章节里进行阐述。

1.2.1       响应时间的折衷

线性稳压器通常比开关稳压器简单而且速度更快。如图1.1所示，在线性稳压器中反馈环路的元件更少，因此环路信号的延时更少。脉宽调制器，具体而言就是将模拟信号转换为脉冲流的控制器，通常需要几个模块，比如时钟、比较器、非交叠数字驱动器和锯齿三角波发生器。此外，在负反馈状态下的开关稳压器要保持稳定，它的带宽通常需要远低于开关频率fSW十倍以上，从而把系统的响应时间进一步限制在晶体管特征频率（transitional frequency）fT的几个数量级以下。因此， dc-dc变换器比线性稳压器需要更多的响应时间。在开关频率fSW为20 kHz-10 MHz的情况下，dc-dc变换器的响应时间为2-8 us，而线性稳压器则可以低至0.25-1 us。尽管更高的开关频率可以减小输出电压纹波和/或降低对LC滤波器的要求，但是进一步提高开关频率fSW通常是不实际的，因为这样会提高变换器中开关管的功率损耗，从而消耗更多的电池能量并降低其使用寿命。

1.2.2       噪声

如图1.1所示，开关稳压器的反馈环路中存在数字信号，这表明开关稳压器比线性稳压器具有更大的噪声。功率开关管是可以通过大电流的大器件，它们必须工作在较高的频率下，从而要求快速而陡峭的驱动信号，而这会向芯片衬底和输出端注入噪声能量。此外，射频（RF）噪声在升压模式中更加普遍，这是因为一个与二极管占空比相关的功率会突然流入负载。时钟在开通、关断以及睡眠模式的启停转换进一步加剧了噪声，在输出端引入了低频和高频谐波。

1.2.3       能量转换效率

与线性稳压器相比，开关稳压器有一个独特的优势——高转换效率。这是因为在dc-dc稳压器中功率管的压降低至10-100 mV，而在线性稳压器中，串联的功率器件压降为稳压前的输入vIN和稳压后的输出vOUT之间的电压差，通常为0.3-2 V。稳压器消耗更多的功率，会使输入功率被传送到输出端的部分更少，从而降低了能量转换效率。能量转换效率在功率调整电路中是一个重要的度量标准。设计工程师通常定义参数ηC为输出功率POUT与输入功率PIN的比值，输入功率包括输出功率POUT和稳压器自身的功率损耗PLOSS：

开关稳压器中的损耗PLOSS可以非常小，因此效率通常可达80%-95%。另一方面，线性稳压器中的损耗PLOSS通常更高，线性稳压器自身的静态电流iQ以及稳压前的输入电压vIN和稳压后的输出电压vOUT的压差将其转换效率限制在较低水平：

式中是负载电流，静态电流为直接流到地而不流经负载的电流，用表示。因此，即使静态电流为0，线性稳压器可能达到的最大效率也仅为输出电压对输入电压的比值。为了进一步理解这个结论，考虑一个输入电压为5V、输出电压为2.5V的线性稳压器，其最大可能转换效率仅为50%。

输入电压和输出电压之间的电压差越低，线性稳压器的转换效率越高。例如，对于上述的线性稳压器，如果输入电压为3.3V，其转换效率为76%，而如果输入电压为2.8V，则效率可以达到89%。这个趋势只有当负载电流远大于静态电流时才成立，当稳压器满负载工作时，这个假设一般成立，而当系统处于待机或者睡眠状态时，则不一定成立。因此，当输入电压和输出电压的压差较低时，例如0.3 V以下，设计师通常更倾向于使用线性稳压器，因为此时线性稳压器和开关稳压器的效率几乎相同，而线性稳压器设计简单、成本低、噪声更小，并且速度更快。线性稳压器唯一的、也是最明显的缺点是它的转换效率。如果转换效率不是一个重要的考虑因素，或者其转换效率与开关变换器相当，那么线性稳压器将是一个更好的选择。

如果负载电流超过一定程度，就需要使用热沉（hot sink)，这对应用是不利的。热沉一方面增加了一个额外的板上部件，另一方面需要消耗印制电路板（Printed-Circuit Board, PCB）面积。一个避免这个问题的常用技术是在PCB上使用多个线性稳压器来对负载进行分流，从而最小化单个稳压器的功率损耗，或者，如果指标允许，也就是说如果输出端可以容忍更多噪声，也可以用开关稳压器来代替线性稳压器。高温的另一个副作用是会增大金属氧化物半导体（MOS）管的导通电阻，从而增加导通损耗，降低能量转换效率。总之，如表1.1所总结的，线性稳压器结构简单、速度快、噪声小，但是它的转换效率相对较低，使得它们只适用于低噪声和低功率的应用场合。开关稳压器有更高的能量转换效率，但是它要求负载必须容忍较高的噪声，这也是敏感的高性能模拟子系统通常采用线性稳压器供电的原因。

danielin

点赞。。。。。。。。

hijackerhaha

厉害了！翻译版啊

创芯讲堂运营

hijackerhaha 发表于 2020-11-1 18:38
厉害了！翻译版啊

是的，翻译过来了

reti0x20

Thinks，厉害了

chinahongjiang

Good！

gdfstyh

以为是有试读

waley

good~
gogo~

cdfldf1984

ssywtt

白马湖007

最好有pdf电子版 ，。